Toujours en mouvement sans consommer d'énergie
Depuis plusieurs mois, on dit que les chercheurs ont réussi à créer des cristaux de temps - d'étranges cristaux dont la structure atomique se répète non seulement dans l'espace, mais aussi dans le temps, ce qui signifie qu'ils se déplacent constamment sans dépense d'énergie.
Maintenant, cela a été officiellement confirmé: les chercheurs n'ont révélé en détail que récemment comment créer et mesurer ces étranges cristaux. Et deux groupes de scientifiques indépendants affirment qu'ils ont en fait réussi à créer des cristaux de temps en laboratoire, en utilisant les instructions fournies, confirmant ainsi l'existence d'un tout nouveau type de matière.
La découverte peut sembler totalement abstraite, mais elle annonce le début d'une nouvelle ère de la physique, car pendant de nombreuses décennies, nous n'avons étudié que la matière, qui, par définition, était «en équilibre»: les métaux et les isolants.
Mais il y avait des suggestions sur l'existence dans l'Univers d'une variété de types étranges de matière qui ne sont pas en équilibre et que nous n'avons même pas commencé à étudier, y compris les cristaux de temps. Nous savons maintenant que ce n'est pas de la fiction.
Le fait même que nous ayons maintenant le premier exemple de matière «hors équilibre» pourrait conduire à une percée dans notre compréhension du monde qui nous entoure, ainsi que des technologies telles que l'informatique quantique.
«C'est un nouveau genre de question, point final. Mais c'est aussi cool que ce soit l'un des premiers exemples de matière «hors équilibre» », déclare le chercheur principal Norman Yao de l'Université de Californie à Berkeley.
«Pendant toute la seconde moitié du siècle dernier, nous avons étudié la matière en équilibre, comme les métaux et les isolants. Et ce n'est que maintenant que nous sommes entrés dans le territoire de la matière «non équilibrée»."
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Mais arrêtons-nous et regardons en arrière, le concept de cristaux de temps existe depuis plusieurs années.
Ils ont été prédits pour la première fois par le théoricien de la physique lauréat du prix Nobel Frank Wilczek en 2012. Les cristaux de temps sont des structures qui semblent être en mouvement même au moindre niveau d'énergie connu sous le nom d'état fondamental ou état de repos.
Habituellement, si la matière est dans l'état fondamental, également appelé état d'énergie nulle du système, cela signifie que le mouvement est théoriquement impossible, car il nécessite de l'énergie.
Mais Wilczek a fait valoir que cela ne s'applique pas aux cristaux du temps.
Dans les cristaux ordinaires, le réseau atomique se répète dans l'espace, tout comme le réseau carboné du diamant. Mais, comme un rubis ou une émeraude, ils ne bougent pas car ils sont en équilibre dans leur état de base.
Et dans les cristaux de temps, la structure se répète également dans le temps, pas seulement dans l'espace. Et donc ils sont en mouvement dans l'état de base.
Imaginez de la gelée. Si vous le piquez avec votre doigt, il commencera à vibrer. La même chose se produit dans les cristaux de temps, mais la grande différence est qu'ils n'ont pas besoin d'énergie pour se déplacer.
Un cristal temporel est comme une gelée qui vibre constamment dans son état de base habituel, et c'est ce qui en fait un nouveau type de matière - la matière «sans équilibre». Qui ne peut tout simplement pas rester assis.
Mais c'est une chose de prédire l'existence de tels cristaux, et une autre de les créer réellement, ce qui s'est produit dans les dernières recherches.
Yao et son équipe ont créé un diagramme détaillé dans lequel ils ont décrit en détail comment créer et mesurer les caractéristiques d'un cristal temporel, et même prédire quelles devraient être les différentes phases entourant un cristal temporel, en d'autres termes, ils ont décrit les équivalents d'états solides, liquides et gazeux d'un nouveau type de matière.
Yao a qualifié l'article publié dans Physical Review Letters de «pont entre l'idée théorique et la mise en œuvre expérimentale».
Et ce n'est pas du tout une spéculation. Suivant les instructions de Yao, deux groupes indépendants - l'un de l'Université du Maryland et l'autre de Harvard - ont réussi à créer leurs propres cristaux de temps.
Les résultats des deux études ont été annoncés à la fin de l'année dernière sur arXiv.org (ici et ici), et ont été envoyés à des revues à comité de lecture pour publication. Yao est co-auteur des deux articles.
En attendant les publications, il vaut la peine de rester sceptique sur les déclarations. Mais le fait même que deux groupes indépendants aient réussi à créer des cristaux de temps en utilisant le même schéma dans des conditions complètement différentes semble prometteur.
À l'Université du Maryland, des cristaux de temps ont été créés à partir d'une chaîne de 10 ions ytterbium, tous avec des spins d'électrons intriqués.
La clé pour transformer cette base en cristal du temps était de maintenir les ions en déséquilibre, et pour ce faire, ils ont été touchés à leur tour par deux lasers. Un laser créait un champ magnétique, le second laser déroulait partiellement les spins des atomes.
Étant donné que les spins des atomes étaient initialement enchevêtrés, ils sont rapidement entrés dans le modèle de rotation de spin stable et répétitif qui définit le cristal.
C'était normal, mais pour devenir un cristal du temps, le système devait briser la symétrie dans le temps. En observant la chaîne des atomes d'ytterbium, les chercheurs ont remarqué quelque chose d'inhabituel.
Deux lasers frappant périodiquement les atomes d'ytterbium ont provoqué une répétition dans le système avec une période deux fois plus longue que la période des «chocs», ce qui était exactement ce qui ne pouvait pas se produire dans un système normal.
«Ne serait-il pas très étrange que vous piquiez de la gelée et que vous découvriez qu'elle réagit à des périodes différentes?» - explique Yao.
«Mais c'est la nature du cristal du temps. Vous avez une sorte d'agent pathogène avec une période T, mais le système est en quelque sorte synchronisé, et vous observez son mouvement avec une période dépassant T."
En fonction du champ magnétique et de la pulsation du laser, le cristal temporel pourrait alors changer de phase, comme un cube en fusion.
Crystal de Harvard était différent. Les chercheurs l'ont créé en utilisant des centres de vacance d'azote denses dans le diamant, mais ils sont arrivés au même résultat.
«Ces résultats similaires de deux systèmes très différents confirment que les cristaux de temps sont une forme répandue de matière, et non une caractéristique curieuse qui n'est observée que dans un petit système spécial», explique Phil Rifermey de l'Université de l'Indiana dans une étude d'accompagnement. note de travail, il n'a pas participé à l'étude, mais a révisé l'article.
"L'observation de ce monocristal du temps … confirme que la rupture de symétrie peut se produire dans tous les domaines de la nature, ce qui ouvre de nouveaux domaines de recherche."
Le diagramme de Yao a été publié dans Physical Review Letters, et vous pouvez lire un article de Harvard sur les cristaux de temps ici, et un article de l'Université du Maryland ici.
